一種抑制微放電的寬帶大功率定向耦合器設(shè)計

秦 楚，張 恒，屈文星，崔萬照

(1.中國空間技術(shù)研究院西安分院，西安 710000；2.西安衛(wèi)星測控中心，西安，710100)

0 引言

在衛(wèi)星有效載荷系統(tǒng)中，3dB定向耦合器常用于微波信號的合成分路處理，隨著航天技術(shù)的不斷發(fā)展，對定向耦合器的帶寬與功率容量需求隨之提升，寬帶大功率定向耦合器的設(shè)計已成為微波領(lǐng)域重點研究的課題。在真空環(huán)境中，大功率器件容易引發(fā)微放電效應(yīng)[1]，影響器件性能與壽命。因此，在器件設(shè)計時應(yīng)充分考慮微放電效應(yīng)，采用有效抑制手段，確保器件在軌穩(wěn)定可靠。

在微波工程應(yīng)用中3dB定向耦合器常用類型有平面耦合器、波導(dǎo)耦合器與耦合線耦合器3類。平面定向耦合器為滿足寬帶需求，常采用多級級聯(lián)設(shè)計，但該設(shè)計Q值低、損耗大，且功率容量受隔離電阻制約，多用于小功率應(yīng)用場合[2]；波導(dǎo)定向耦合器功率容量較高，但帶寬較窄且體積較大，星載成本較高[3]；耦合線定向耦合器工作帶寬較寬，通過使用合適的介質(zhì)層材料代替空氣層，可有效提高功率容量，選用高導(dǎo)熱介質(zhì)材料，可解決真空環(huán)境中放電部位過熱至損的問題[4]。

本文結(jié)合L頻段某型衛(wèi)星載荷應(yīng)用需求，針對大功率寬帶3dB定向耦合器在真空環(huán)境中產(chǎn)生的微放電效應(yīng)進行分析，提出采取耦合線定向耦合器設(shè)計方法，選用高導(dǎo)熱材料代替空氣層作為耦合器介質(zhì)，以滿足工程應(yīng)用需求。

1 耦合線定向耦合器工作原理

耦合線定向耦合器(合成電橋)為4端口器件，分為輸入端口、直通端口、耦合端口和隔離端口，信號從輸入端進入，按一定比例被分配到直通端口和耦合端口輸出，理想情況下隔離端無信號輸出[5]。其中，3dB定向耦合器輸出端口與耦合端口輸出功率等分，輸出信號相位相差90°，其耦合區(qū)長度或稱耦合節(jié)長度為工作中心頻率的1/4波長，耦合器結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 耦合線定向耦合器Fig.1 Coupling structure directional coupler

定向耦合器常采用耦合度C，方向性D，隔離度I來表征，對于單節(jié)耦合線耦合器，常用奇偶模分析法進行設(shè)計[6]。

S11=S31=0

(1)

(2)

(3)

k0與耦合度C(dB形式)的關(guān)系為：

(4)

根據(jù)上述公式可知，其耦合口與直通端相位相差為90°，其耦合度與電長度有關(guān)，在中心頻率處耦合最強，偏離中心頻率耦合度隨之遞減，在θ=π/2時，耦合端有其第一個最大值，若特征阻抗與電壓耦合系數(shù)k0已知，則可得：

(5)

(6)

2 微放電效應(yīng)

在真空環(huán)境中，發(fā)生在兩個金屬或介質(zhì)材料之間或是單個金屬或介質(zhì)材料表面的諧振放電現(xiàn)象，稱為微放電效應(yīng)[8]。微放電效應(yīng)又稱為電子二次倍增效應(yīng)，在微波器件中游離的自由電子在電磁場的驅(qū)使下，在器件內(nèi)不斷往返運動并加速轟擊器件表面，同時產(chǎn)生大量二次電子，直至形成諧振放電現(xiàn)象[9]。

微放電效應(yīng)與射頻頻率f和間距尺寸d有關(guān)，射頻頻率是固有的，在設(shè)計時，為了增大電子渡越時間，應(yīng)盡可能增大導(dǎo)體之間的間隔尺寸，使電子的渡越時間長于電壓周期的一半，從而增大器件的功率容量[10]。

隨著導(dǎo)體之間距離的增加，器件的體積和重量也會增加。在衛(wèi)星系統(tǒng)中，重量和體積與成本密不可分，通過增加導(dǎo)體之間距離的方法并不可取。因此，在導(dǎo)體之間填充介質(zhì)，擴大等效間隔是一種經(jīng)濟而高效的方法[11]。填充介質(zhì)縮短了電子的平均自由程，使電子渡越時間大于射頻電壓周期的一半，提高了微放電效應(yīng)功率閾值與器件功率容量。

介質(zhì)中二次電子的發(fā)射金屬材料放電產(chǎn)生的熱量更多，而大部分介質(zhì)導(dǎo)熱率不高，造成放電部位熱量堆積，導(dǎo)致器件局部熱量過高而發(fā)生損壞[12]。因此，介質(zhì)基板的選擇十分重要。

綜上，在某型號定向耦合器設(shè)計中，針對真空功率容量需求，采用高導(dǎo)熱介質(zhì)材料代替空氣層，達到擴大等效間隔效果；針對介質(zhì)材料導(dǎo)熱率不高問題，在建模仿真與加工時，選用高導(dǎo)熱材料Rogers TC350+(介電常數(shù)3.55，導(dǎo)熱率1.23W)，利用軟基板多層混壓方式進行產(chǎn)品設(shè)計與加工。同時，設(shè)計時對基板寬度進行加寬處理，進一步擴大散熱面積，有效提升介質(zhì)導(dǎo)熱效率。

3 定向耦合器仿真設(shè)計

定向耦合器設(shè)計指標(biāo)如下：工作頻段：1～1.5GHz，反射系數(shù)≤-20dB，隔離度≦-20dB，耦合度3dB，帶內(nèi)損耗0.5dB，真空微放電功率連續(xù)波300W。

耦合器采用三層結(jié)構(gòu)介質(zhì)基板，利用軟基板多層混壓方式[13]，采用兩層金屬帶線混壓，仿真時設(shè)置介電常數(shù)為3.55。根據(jù)奇偶模分析法，耦合電壓系數(shù)k0=10-3/20=0.708，特征阻抗Z0=50Ω，則可得奇偶模阻抗理論值Z0e=120.92Ω，Z0o=20.67Ω。

在HFSS軟件中進行耦合器設(shè)計仿真，按照常用微波組件綜合方法進行參數(shù)計算[14]，通過調(diào)整帶線寬度與耦合間距，使仿真結(jié)果與理論值相同。仿真結(jié)果如圖2所示。

圖2 耦合器仿真結(jié)果Fig.2 Simulation results of the directional coupler

以計算得到的帶線寬度與耦合間距為初始尺寸，建立端口模型，優(yōu)化端口、過渡段、接地孔尺寸等參數(shù)，直到仿真指標(biāo)滿足性能要求。定向耦合器仿真指標(biāo)如表1所示，耦合器仿真模型如圖3所示，仿真曲線如圖4所示。

表1 定向耦合器仿真指標(biāo)Tab.1 Simulation index of the directional coupler

圖3 耦合器仿真模型Fig.3 Simulation model of the directional coupler

圖4 耦合器仿真曲線Fig.4 Simulation curve of the directional coupler

4 實測驗證

根據(jù)仿真模型參數(shù)進行定向耦合器加工設(shè)計，耦合器加工實物圖如圖5所示。

圖5 定向耦合器實物圖Fig.5 Physical object of the directional coupler

將定向耦合器接入矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀，對實物進行測量，實測結(jié)果如表2所列，實測曲線如圖6所示。

表2 定向耦合器實測結(jié)果Tab.2 Measurement results of the directional coupler

圖6 耦合器實測曲線Fig.6 Measured curve of the directional coupler

按照微放電試驗標(biāo)準(zhǔn)搭建測試平臺[15]，將合成橋接入真空罐，真空度小于1.5×10-4Pa，分別在中心頻率1.25GHz與上邊頻1.5GHz處進行微放電試驗，實驗條件如表3所列。

表3 耦合器測試環(huán)境參數(shù)Tab.3 Test environment parameters of the directional coupler

微放電試驗實測場景圖如圖7所示。

圖7 微放電試驗實測場景圖Fig.7 Testing scene of the micro-discharge test

實測結(jié)果表明耦合器在入射功率連續(xù)波為300W，脈沖為1100W時無異?，F(xiàn)象，定向耦合器復(fù)測性能良好。

5 結(jié)論

在衛(wèi)星載荷真空應(yīng)用環(huán)境中，大功率寬帶定向耦合器會出現(xiàn)微放電效應(yīng)，本文采用耦合線結(jié)構(gòu)定向耦合器進行設(shè)計，耦合器中間層介質(zhì)中使用了高導(dǎo)熱材料Rogers TC350+。在真空度優(yōu)于1.5×10-4Pa的環(huán)境下對耦合器進行大功率實測，測試過程中器件溫度低于85.3℃，復(fù)測性能良好，結(jié)果表明器件在滿足耦合度、隔離度、損耗等指標(biāo)的同時，可有效抑制真空環(huán)境中微放電效應(yīng)，確保了耦合器的工作性能。